▲ 미생물 공정과 화학적 공정을 결합한 포도당과 글리세롤로부터의 BTEX 생산 공정 요약도(그림=KAIST)  © 특허뉴스

석유 대신 포도당으로... 화학산업 패러다임 바꾼 ‘KAIST 공정 혁신’

플라스틱, 스티로폼, 나일론 등 현대 산업의 기반이 되는 핵심 물질 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌)은 오랫동안 석유 정제에만 의존해왔다. 그러나 KAIST 연구진이 폐목재 등에서 추출한 포도당 등 바이오 원료로 BTEX를 생산하는 데 성공, 석유화학 산업의 패러다임을 바꿀 신기원을 열었다.

KAIST는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수와 화학과 한순규 교수 공동연구팀이 미생물 발효공정과 유기화학 반응을 결합해 재생 가능한 바이오 원료(포도당, 글리세롤 등)로부터 BTEX를 생산하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이 기술은 미생물이 포도당을 이용해 페놀, 벤질알코올 등 중간 물질을 합성한 뒤, 화학 반응으로 산소를 제거해 벤젠·톨루엔 등 석유계 탄화수소를 만들어내는 새로운 바이오-케미컬 융합 플랫폼이다.

시스템 대사공학 + IPM 용매... 복잡한 공정의 단순화, 효율은 극대화

이상엽 특훈교수가 선도해온 ‘시스템 대사공학(Systems Metabolic Engineering)’ 기술은 이번 연구의 핵심이다. 연구팀은 미생물 내 대사 경로를 재설계해 전구체(precursor) 생산 효율을 극대화했고, 이를 통해 기존 식물 기반 BTEX 생산의 낮은 수율 문제를 해결했다.

여기에 결정적 역할을 한 것은 ‘아이소프로필 마이리스테이트(IPM)’라는 특수 용매였다. 이 용매는 끓는점이 높아 BTEX와 쉽게 분리·재활용이 가능하고, 복잡한 정제 과정을 거치지 않아도 반응이 가능해 공정을 단순화하고 에너지 소비를 줄였다.

덕분에 KAIST의 새 공정은 ‘저탄소·저에너지·고효율’이라는 세 마리 토끼를 모두 잡은 혁신적 성과로 평가받는다.

“미생물 공장과 화학 반응의 융합”... 지속 가능한 석유화학의 미래 제시

연구를 공동으로 이끈 한순규 교수는 “잘 알려지지 않은 IPM 용매 환경 속에서 미생물 대사와 화학 반응이 동시에 안정적으로 작동하도록 설계한 것이 이번 연구의 돌파구였다”고 설명했다.

또한 녹색성장지속가능대학원 최경록 교수는 “BTEX를 단순히 ‘만드는’ 것을 넘어, 미생물 발효와 화학 반응을 하나의 통합 시스템으로 구현한 점에서 산업적 의미가 크다”며, “끓는점이 높은 IPM 용매 덕분에 BTEX의 재활용이 쉬워 지속 가능한 석유화학 대체 기술로 발전할 수 있다”고 강조했다.

이상엽 특훈교수는 “BTEX는 세계적으로 수요가 계속 늘고 있는 핵심 소재”라며, “이번 성과는 석유 의존도를 낮추고, 연료·화학 산업의 탄소 발자국을 줄이는 실질적 대안이 될 것”이라고 말했다.

세계적 학술지 PNAS 게재… 지속가능한 화학의 전환점

이번 연구 성과는 미국국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences) 10월 2일 자에 게재되며 국제 학계의 주목을 받았다.

KAIST 연구진은 앞으로 미생물의 원료 활용 효율을 높이고, 공정을 산업 규모로 확장하며, 친환경 촉매를 도입해 기술을 상용화할 계획이다. 이는 “석유 없는 석유화학”을 향한 실질적인 첫걸음이자, 지속 가능한 바이오 기반 화학산업 전환의 기폭제로 평가된다.

논문명이 Chemobiological synthesis of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene from glucose or glycerol이다.